真空中尘埃运动的动力学分析和尘埃的防止与过滤

　　一、前　　言

　　真空技术在冶金、化工、轻工、食品、医药等领域得到了十分广泛的应用。在这些领域大都存在尘埃对真空设备的危害问题,在冶金领域尤为突出。如果尘埃随气流进入泵内会加速零件磨损,堵塞油路或使泵无法运行,进入阀门会使密封面泄漏,因此尘埃的防止和过滤已成为延长设备使用寿命,提高生产率的关键问题。

　　对尘埃问题,世界各真空设备公司都有各种性能要求和规格的尘埃过滤器供用户选择[1～3]。国内还没有专门生产性能规格齐全的尘埃过滤器的工厂,大都由用户自行设计加工,因此在真空系统结构、过滤介质选择、过滤器设计方面不能十分满足实际应用的要求。

　　二、真空中尘埃运动动力学分析

　　在图1所示的真空管道AA载面处有一直径为d的尘埃。系统在AA载面的压力为P,比抽速(单位面积抽速)为S。设尘埃为密度ρ的小球,则尘埃受到向下的重力W作用

　　可见在一定比抽速S下,在双对数座标中d_max—P曲线为斜率45°的直线,对不同比抽速S的d_max—P曲线如图2所示。

　　设某真空系统采用抽速为300L/s罗茨泵和75L/s滑阀泵构成的机组抽气,连接管道直径0.2m,长6m,则比抽速为(9.55～2.39)m³/s·m²。考虑到真空机组S—P曲线和实际操作中泵的切换和管道流导影响,该系统在抽气的压力变化过程中实际尘埃悬浮线如图2中粗实践AB所示。在曲线AB以上区域的尘埃会沉降,否则将飞扬。可以看出在刚抽大气(P=105Pa)时如不采取必要措施,dmax可能达数毫米。但当压力下降到数千帕,d_max就只有数十微米。

　　三、有尘埃真空系统泵的配置和操作方法

　　从以上分析可以看出,在抽气过程中,尘埃飞扬主要发生在刚开始抽除大气的高压力范围,为此我们可以从真空系统的结构和操作二方面着手防止和减少尘埃的产生。从抽气机组泵的配置考虑,目前能够抽大气的大抽速真空泵主要有往复泵、水环泵、旋片泵和滑阀泵,其中能直接在尘埃条件下工作的只有水环泵,因此在有尘埃系统中用水环泵预抽大气是比较好的方法。真空机组的配置可以是:水环泵+罗茨泵+滑阀泵,其结构简图如图3A所示。在多机组的应用场合,甚至可以考虑共用一台大抽速水环泵。从操作来说,在抽大气时适当减小系统抽速有利于防止尘埃的飞扬,例如在被抽空间与泵之间设置可调阀门或可调孔板等以限制抽速,该系统结构如图3B所示。如果控制起始比抽速为0.4m³/s·m²,则d_max为30μm。随着压力下降,逐步打开阀门或孔板以增加抽速,这时的d_max—P曲线如图2的CD所,这种方法简便有效。但降低起始抽速会延长抽气时间,根据被抽容器体积、泵抽速及起始抽速下降的程度,一般会延长数分至数十分钟。在对抽气时间略有延长可以允许的应用场合,这是一种较好的操作方法。